浅谈土工织物加固软土路基的作用机理

摘要 为了加固软土路基，可以在软土垫层中加入土工织物形成加筋土。文章分析土工织物在软土中的作用机理，土工织物能够依靠表面摩擦力传递和侧压力增量，增加土体表观黏聚力和抗剪强度，分散软土的压力，增强土体抗压强度，基层裂缝引起的反射裂缝的发生被抵抗和减缓，有效地防止基础沉降，提高软土路基的承载力。由此可知，软土路基中加入土工织物可以达到加固目的。

关键词 土工织物;软土地基;加筋增强;提高承载力

中图分类号 U416.1文献标识码 A文章编号 2096-8949（2022）11-0076-03

引言

土工织物即土工合成材料，它是高分子聚合物的统称，包括以合成塑料、合成纤维以及合成橡胶等为原料制成的新型材料。按制造工艺进行分类，可分为无纺型土工织物、有纺型土工织物、编织型土工织物。土体中加入的土工织物与其产生摩擦力，限制地基的侧向变形，土体中的应力得以均匀分散。

加筋法正是利用土体中加入的土工织物给地基施加了一个侧压力增量，借此减少地基的不均匀沉降和变形协调能力，提高地基的承载能力，达到加固软土路基的目的。该文通过分析加筋法的原理来讨论土工织物加固软土路基的作用机理。

1 土工合成材料的分类

（1）土工织物：通过纺织加工技术，包括非织、机织、针织等技艺，制成具有纺织物的外观、渗透性、灵活性的土工合成材料[1]。排水、隔离、过滤、加固、防护、防渗等功能非常强大。

（2）土工格栅：可用于路基加固、新旧路基改造加宽连结，网格状外观。

（3）土工格室：将条状聚合物组成有一定厚度的三维网格结构，形成了一个个格室，混凝土或者土壤能够填满这些格室。

（4）土工膜：具有不透水特性的一种或多钟聚合物制成的连续的柔性膜状材料。可以阻隔液体、气体，或者作为液体和气体容器的衬垫。

以上4种材料在公路工程施工使用较多，在工程建设中经常使用的土工合成材料还包括以下几种：土工合成沥青材料、土工网格、土工复合材料（两种或以上土工材料混合）、土工发泡材料、土工排水材料、土工黏土衬垫（GCL）等。

2 土工织物的功能

该文主要讨论土工织物在软土路基施工中的应用，以下重点讨论土工织物的六大特性。

（1）排水：主要用于水利、公路路基、挡土墙排水。土工织物可以收集、传输路基中的水以及其他的液体，在各个方向上都具备较好的排水能力，是良好的透水性材料。常与穿孔管、排水芯等其他材料共同使用。

（2）加固：在公路工程施工中，可以在路基垫层中加入一层土工织物，增加软土的承载能力，提高土工织物与土体、其他光滑表面的摩擦力，防止在可能发生滑动的状况下滑动，这种功能就是加固作用，也被称为加筋。

（3）隔离：主要用于隔离公路、水利、铁路、机场等工程中两种不同的地基，具有较高强度来承受外部荷载。在两种不同的岩土材料间放置土工织物，防止混杂，保持两种材料的完整性和整体性，形成稳定的界面。

（4）过滤：良好的透水性可以保证液体通过时不会被阻截。土工织物有丰富的孔隙，孔径又足够小，细小的土体颗粒流过土工织物时会被大量保存，不仅可以作为过滤材料，而且保护土体。

（5）防护：用作防护材料的土工织物通过将土壤传递的集中荷载扩撒，防止土体因外力作用失去稳定性，在水利工程河道治理、护坡、护岸、海岸防潮中应用较多。

（6）防渗：在土工织物表层涂上一层具有防水功能的沥青油、树脂、橡胶材料，提高防水性和密闭性，水、有害液体便难以渗漏。在堤坝、水库、游泳池、蓄水池、污水池、垃圾填埋场施工中常用来做防渗材料。

3 关于软土路基和常见的加固方法

软土路基是特殊地区常见的一种路基，设计专项处理方案处理后才能使用。其含水量较大，透水性差，天然的强度低，壓缩性高[2]。若超过了临界高度，路基容易失去稳定性，出现不均匀沉降，导致路面出现开裂病害。软土地基处理方法见图1。

通过分析软土的力学性质、路基的高度、埋层的深度以及公路设计等级要求，可以选择置换、排水固结（预压法）、灌入固化物、振密、挤密、加筋等方法处理软土。加筋法的分类见表1。

4 加筋法的基本原理

4.1 土工材料的应力传递

在抗剪强度、抗拉能力很低的软弱土中加入土工合成材料，两者形成一个整体，在外力作用下，产生的形变将会引起两者之间相对位移趋势，两者相接触的界面产生的摩擦力和咬合力能够限制软弱土体的侧向位移，土体就像被施加了一个侧向压力增量，因此土的强度和承载力得以提高[3]。土工合成材料一般水平放置在土体中，在外力作用下两者发生形变，而相接触的界面将会产生应力传递，传递方式包括以下两种：

4.1.1 依靠表面摩擦力传递

以土为定向，土工材料做上下位移时，即为抗拔状态时，其上下面的阻力Ff为：

（1）

若土工材料仅做上或下单向界面位移时，也就是土工材料处于剪切状态，则阻力Ff为：

（2）

式中，b——土工材料的宽度;L——土工材料的长度;σv——作用于土工材料上的法向应力;φsg——土工材料与土体之间的摩擦角。

抗拔试验和直剪试验[4]可以求得抗拔状态和剪切状态。φsg一般情况下是土体内摩擦角的0.6～0.8倍。由公式（1）和公式（2）可知φsg、σv越大，Ff越大，但最大不能超过土工材料的极限抗拉强度。Ff还取决于土工材料的表面粗糙程度以及周围土的物理性质，土工材料表面越粗糙，土的颗粒越大并且带有棱角，则φsg越大，Ff越大。

4.1.2 依靠土工材料横杆被动抗力的应力传递2AB3A8D7-D576-4F35-8D62-C478A643A260

格栅类土工材料才会存在横杆被动抗力应力传递的情况，例如由横杆和纵肋组成的土工格栅。因为土工格栅有一定的厚度，将土工格栅铺设在土体中时，土工格栅的孔洞填充土料、石料，纵肋的方向与土体受大主应力的方向一致，土工格栅与土体方向发生相对位移时，土工格栅表面便产生摩擦力，此外，横杆侧面也会受到与之垂直的被动土体抗力。被动抗力Fp为：

（3）

（4）

式中，t——土工格栅的厚度;b——孔洞的有效宽度;n——单位宽度格栅的横杆数目;σh——单位面积土的被动抗力;Nb——承载力因数。

4.2 加筋的作用机理

4.2.1 侧压力增量

Z深度处的单位无黏性地基土体受到的大小主应力分别为σ1、σ2：

（5）

（6）

（7）

式中，σv——竖向应力;σh——水平向应力;γ——土容重;φ'——有效内摩擦角;K0——土的静侧压力系数。

4.2.2 表观黏聚力理论

当土料有黏聚力Cr时，大小主应力σ1、σ2满足极限平衡条件，则它们的关系如下：

（8）

当试样中土工织物水平放置时，其垂直间距为，则它们的关系为：

（9）

（10）

式中，Rt——土工织物的抗拉强度;Kp——土体被动压力系数。

由侧压力增量理论可知，因为加铺了一层土工织物，所以试样增加了一个侧压力增量，此时大主应力σ1为：

（11）

由公式（8）可得：

（12）

由公式（12）和公式（9）可得：

（13）

由此可知土工织物的抗拉强度Rt为土体提供了侧压力增量，抗拉强度Rt与被平均分配给试样高度为的侧压力的大小相差无几[5]。侧压力增量会因为土工织物被拉断或者抽出，或者抗拉强度Rt很小时消失。

4.2.3 抗剪强度理论

土和聚合纤维混合做成加筋土，叫作纤维土，在施工现场用专门的机械把砂和聚合纖维混合制作而成。土体的剪切带与纤维垂直，而纤维自身相互平行，则纤维一开始垂直的状态就会发生位移，产生纤维土拉力σr。假设土体剪切带面积是A，纤维土中纤维占比面积是Af，单位土体面积纤维拉力可由以下公式求得：

（14）

设tr为单位土体面积内的纤维拉力，其与剪切带处于垂直状态时，可以产生压力增量trcosθ。其与剪切带处于平行状态时，会使剪应力减小，是因为相反于作用剪应力的分力使其减小，土体抗剪强度却增大trsinθ，总增量可以由以下公式求得：

（15）

在实际施工过程中，纤维土里的纤维不可能有顺序的平行排列，多数是随机的定向情况。但是，纤维与剪切带倾斜时，也可以达到加筋目的。直剪试验证实土体中的纤维随机分布的优势方位与剪切带呈90°。

5 加筋垫层法的施工方法

将一层塑料膜、筋条、树脂网等土工织物铺设在软土路基的表面、路堤中，软土路基的抗压强度得到增强，软弱土的受力状态发生改变，稳定性也得到提高，软土路基得以加固。

第一层地基施工步骤：基底开挖至设计标高→200 mm厚碎石垫层→土工织物→200 mm厚砂砾石→黄砂找平→压路机压实。

第二层地基施工步骤：装满砂石的袋装土工织物→矿渣填平空隙→100 mm厚碎石→压路机压实。

按照土工织物→碎石→压路机压实的施工步骤重复第一层、第二层施工步骤施工至垫层的设计厚度。

5.1 在垫层中加铺土工织物的目的

垫层具有提高地基承载力、减少沉降量、加速排水固结、阻隔毛细水上升的作用。垫层中加铺土工织物，是通过利用土颗粒、碎石位移时与拉筋产生的擦力，使土与垫层中铺设的土工织物形成一个整体，因此上部荷载能够均匀地分散到路基中，应力得到扩散。土工织物可以阻止路基中出现塑性剪切力形成破坏面，防止破坏扩大发展，提高了软土路基的承载力。在提高路基稳定方面，则是通过与垫层土之间相互摩擦去限制路基土的侧向变形。垫层底部加筋，筋体与垫层一侧摩擦;垫层中部加筋，筋体与垫层两侧摩擦。

5.2 施工要点

对加筋土施工工艺、质量要严格控制才能达到加固目的。因此在施工过程中要做到以下几点：

（1）施工前应先给土工织物施加一个预应力，两端用锚固固定，使其充分发挥抗拉强度。锚固越紧承载力提高越多，地基中应力越均匀分布。在土工织物两端折起的端部包裹砂体可以增加握裹力，保证其固定稳固，不在施工过程中被拔出[6]。

（2）在施工过程中要尽力将土工织物拉直拉紧，保证其是平直的状态。究其原因是施工顺序影响加筋效用，当土工织物早期就处于受拉状态时，变形过程中才能更好地发挥抗拉强度作用。为了保证土工织物受荷载初期有足够的应变，要严格按照以下顺序施工[6]：①在垫层中加铺已施加预应力的土工织物;②保持土工织物平直绷紧状态，两端折起包裹砂砾，将砂料填入;③将砂料灌入中心;④继续添加两端砂料使其增高;⑤中心再次填砂。

（3）为了使垫层具备较好的扩散效果及抗弯性能、大的挠曲刚度，整体性和连续性都好的平铺垫层，垫层中铺设的土工织物要平铺，且与碎石垫层交替铺设[6]。

6 结语

通过分析加筋法的应力传递和作用原理可知，在软土路基中加铺土工织物是利用土工织物的高抗拉强度加固软土路基，不仅可以减少沉降，还能使沉降均匀。因此，土工织物应用于软土路基经济性好、施工简单、安全可靠，在公路工程未来的施工中会被广泛应用。

参考文献

[1]刘凯琳， 赵永霞， 张娜. 土工合成材料的发展现状及趋势展望[J]. 纺织导报， 2019（S1）： 6-28.

[2]李志鹏. 浅析公路软土路基的加固技术措施[J]. 河南科技， 2013（24）： 146-147.

[3]王琼. 土工织物加固软土地基的试验研究[D].阜新： 辽宁工程技术大学， 2003.

[4]林晓玲， 周连， 吴建东， 等. 土工织物加筋垫层的应用研究[J]. 岩土力学， 2000（3）： 252-255.

[5]刘金龙， 栾茂田， 王吉利， 等. 土工织物加固软土路基的机理分利[J]. 岩土力学， 2007（5）： 1009-1014.

[6]彭刚. 用土工织物加固软土地基的方法及体会[J]. 辽宁交通科技， 2005（9）： 29-39.

收稿日期：2022-04-17

作者简介：周丹柳（1995—），女，本科，助理工程师，研究方向：道路与桥梁。2AB3A8D7-D576-4F35-8D62-C478A643A260